自动驾驶时代的通信革命—车载时间敏感网络（TSN）（下）

我是穿拖鞋的汉子，魔都中坚持长期主义的汽车电子工程师。

老规矩，分享一段喜欢的文字，避免自己成为高知识低文化的工程师：

做到欲望极简，了解自己的真实欲望，不受外在潮流的影响，不盲从，不跟风。把自己的精力全部用在自己。一是去掉多余，凡事找规律，基础是诚信；二是系统思考、大胆设计、小心求证；三是“一张纸制度”，也就是无论多么复杂的工作内容，要在一张纸上描述清楚；四是要坚决反对虎头蛇尾，反对繁文缛节，反对老好人主义。

一直很喜欢发小老李QQ签名那句话—生活如逆水行舟，不进则退。农村做题家出来的汉子，我可能已经不具备享受快乐的权力，只有做个躬行的卒子，一步一个脚印往前走。

中年男人尽量避免陷入历史虚无主义，自己无需问“人活着为了什么？”，做自己该做之事，七八月只管播种，到了十一二月收获季节，自有收获。

2、三大典型应用场景

随着车载TSN核心技术的不断突破，其应用场景也从理论研究逐步走向产业化落地。目前，车载TSN在电子电气架构（EEA）优化、综合设计与测试、车辆对外通信（V2X）等领域展现出巨大的应用潜力，成为推动智能汽车发展的关键技术支撑。

-> 电子电气架构（EEA）应用

电子电气架构是汽车的“骨架”，其设计直接决定了汽车的性能、成本与可扩展性。传统的分布式EEA采用“功能模块化”设计，每个ECU负责特定的功能，导致ECU数量激增、线束复杂、数据交互效率低。随着智能汽车功能的不断丰富，EEA正朝着“域集中化-区域化-中央计算”的方向演进，而TSN作为骨干网络技术，在这一演进过程中发挥着至关重要的作用。目前，TSN在车载EEA中的应用主要集中在三类架构：基于域控制器（DCU）的架构、基于区域的架构和新型混合架构。

在基于域控制器（DCU）的架构中，汽车被划分为多个功能域（如自动驾驶域、动力域、车身域、座舱域），每个域由一个域控制器进行集中管理。TSN作为骨干以太网连接各域控制器，实现跨域数据的高速、实时传输。例如，自动驾驶域控制器需要接收动力域的车速信息、车身域的转向角信息、座舱域的驾驶员状态信息，这些数据通过TSN骨干网传输，端到端时延可控制在5ms以内，满足自动驾驶决策的实时性要求。同时，TSN的流量调度机制可确保不同域的关键流量（如自动驾驶的控制指令、动力域的电机控制信号）优先传输，避免跨域通信的干扰。目前，大众、宝马等车企已在其高端车型中采用基于DCU的EEA架构，并引入TSN作为域间通信的骨干网络。

基于区域的架构是EEA演进的下一阶段，其核心是将汽车按物理位置划分为多个区域（如前部区域、中部区域、后部区域），每个区域设置一个区域控制器，负责连接该区域内的传感器、执行器等设备。TSN在该架构中主要实现车载中央计算机（VCC）与区域控制器之间的实时信号传输。VCC作为整个汽车的“大脑”，负责全局决策与计算；区域控制器则承担数据预处理、设备控制等本地化功能。通过TSN连接VCC与区域控制器，可实现数据的确定性传输与实时控制。例如，前部区域控制器采集的激光雷达、摄像头数据经过预处理后，通过TSN传输至VCC进行融合与决策，VCC生成的控制指令再通过TSN反馈给区域控制器，控制车辆的转向与制动。为保障可靠性，该架构通常采用TSN的冗余路由技术，为VCC与区域控制器之间的通信提供多条备份路径，避免单一链路故障导致的系统失效。

新型混合架构则融合了SDN、可扩展面向服务的中间件（SOME/IP）等技术，旨在实现网络的按需配置与标准化互联。SDN提供的集中式控制能力使网络能够根据业务需求动态调整拓扑与资源分配；SOME/IP作为一种面向服务的通信协议，支持设备之间的服务发现与远程调用，简化了异构设备的互联流程。例如，当车辆需要开启自动驾驶功能时，SDN控制器可根据自动驾驶业务的QoS需求，动态构建一条从传感器到VCC再到执行器的TSN专用链路，并通过SOME/IP协议实现各设备之间的服务注册与数据交互；当自动驾驶功能关闭后，控制器释放该链路的资源，用于其他业务。这种混合架构不仅提升了网络的灵活性与可扩展性，还实现了不同厂商设备之间的标准化互联，降低了整车的研发成本与周期。

-> 综合设计与测试

车载TSN的产业化应用离不开完善的综合设计与测试体系。由于车载网络的复杂性与安全性要求，在实际装车前需要通过建模、可行性分析、测试仿真等环节验证网络架构的合理性与可靠性，确保TSN能够满足车载场景的各项需求。综合设计与测试技术的目标是构建覆盖“设计-仿真-测试-验证”全流程的开发框架，提升系统的互操作性与稳定性。

在设计阶段，将TSN通信时序属性整合到基于模型和组件的软件开发框架是提升系统互操作性的关键。基于模型的设计（MBSE）方法通过建立可视化的系统模型，将TSN的时间同步、流量调度、资源分配等时序属性转化为模型中的约束条件，实现软件与硬件的协同设计。例如，在自动驾驶系统的MBSE模型中，可将激光雷达数据的传输时延上限（如10ms）、TSN的同步精度（如±1μs）等参数作为模型约束，通过模型仿真工具（如Simulink）验证系统在不同工况下是否满足这些约束。同时，基于组件的软件开发框架（如AUTOSAR Adaptive）支持将TSN的通信功能封装为标准化组件，不同厂商的软件组件可基于统一的接口规范进行集成，显著提升了系统的模块化与可复用性。

测试仿真环节是验证车载TSN架构性能的重要手段，目前主流采用基于OMNeT++模拟器和INET框架的仿真环境。OMNeT++是一种离散事件仿真工具，具有模块化、可扩展的特点；INET框架则提供了丰富的网络协议模型（如以太网、TCP/IP、TSN）。通过这两者结合，可构建包含TSN交换机、现场总线（如CAN、LIN）、网关、传感器、控制器的完整车载网络模型。在仿真环境中，可模拟不同的网络拓扑、流量负载、故障场景，对TSN的时间同步精度、流量调度时延、可靠性等性能指标进行量化分析。例如，仿真验证在100个节点的车载网络中，采用IEEE 802.1AS标准的时间同步精度是否能达到±50ns；在高负载场景下（如所有传感器同时传输数据），802.1Qbu协议是否能将高优先级流量的时延控制在10ms以内。

仿真环境还支持架构优化与调试。通过调整GCL参数、同步消息周期、路由策略等变量，观察系统性能的变化趋势，找到最优的网络配置方案。例如，通过仿真对比不同启发式算法生成的GCL对网络时延的影响，选择最适合该车载场景的调度算法。同时，仿真环境还能模拟网络故障（如链路中断、节点失效），验证冗余机制与故障恢复策略的有效性，为实际系统的故障处理提供依据。

现有仿真环境仍存在一些局限性，主要表现为对TSN新兴标准的支持不够完善。随着IEEE 802.1Qci（流量过滤与 policing）、802.1Qch（循环排队与转发）等新标准的推出，现有仿真模型需要整合这些标准的关键特征，以适应复杂应用场景的测试需求。例如，802.1Qch协议支持基于时间片的循环调度，适用于周期性流量的传输，但其在仿真环境中的模型实现仍不够成熟；802.1Qci协议的流过滤规则与实时监控功能也需要进一步集成到仿真框架中。未来，需要加强仿真工具与TSN标准的协同发展，构建更贴近实际应用的仿真环境，为车载TSN的产业化提供更有力的测试支撑。

-> 车辆对外通信

随着车联网（V2X）技术的发展，车辆不再是孤立的个体，而是需要与其他车辆（V2V）、路边单元（V2I）、行人（V2P）、云端平台（V2C）进行频繁的信息交互，以实现协同感知、协同决策与智能交通管理。车载TSN与V2X的结合，为自动驾驶提供了更安全、更可靠的通信保障，尤其是在控制信号的确定性传输方面具有显著优势。

TSN可实现第五代移动通信系统（5G）-V2X控制信号的确定性传输。5G-V2X具有广覆盖、高带宽、低时延的特点，其空口时延可低至1ms，能够满足V2X业务的实时性需求；但5G网络的传输时延存在一定的抖动，难以保证控制信号的绝对确定性。TSN的引入则弥补了这一不足，通过将5G-V2X的控制信号（如协同换道指令、紧急制动预警）接入车载TSN网络，利用TSN的流量调度机制为其分配专属的时间窗口，可实现控制信号从5G基站到车载控制器的端到端确定性时延。例如，当车辆通过V2V通信接收到前方车辆的紧急制动信息时，该信息经5G网络传输至车载终端后，立即被接入TSN的高优先级队列，通过802.1Qbu协议抢占传输资源，确保在10ms内传输至自动驾驶控制器，为车辆制动预留充足的反应时间。

TSN与5G网络的融合，不仅能利用5G的广覆盖和高带宽优势，实现车辆与外部环境的大范围信息交互；还能借助TSN的确定性传输保障控制信号的实时性与可靠性，两者形成互补。例如，在智能交通系统中，路边单元通过5G网络向周边车辆广播交通灯状态、路况信息等海量数据，这些数据属于非实时流量，可通过5G的高带宽进行传输；而车辆之间的协同控制指令（如车队编队行驶的速度调整指令）则通过TSN进行调度，确保传输的确定性。这种融合架构既满足了V2X业务的多样化需求，又提升了自动驾驶系统的安全性。

TSN与5G-V2X的融合仍面临诸多挑战。首先，网络协议的协同适配问题。TSN与5G属于不同的网络技术体系，其时钟同步、流量调度、QoS保障机制存在差异，需要制定统一的协议适配标准，实现两者的无缝对接。其次，复杂交通场景下的性能验证。在车流量密集、多干扰源的复杂交通场景中，5G网络的传输质量可能会受到影响，TSN的调度策略也需要根据动态变化的流量进行实时调整。目前，相关技术方案仍处于理论研究与小规模实验阶段，需要大量的实地测试与数据积累来验证其稳定性与可靠性。例如，在高速公路、城市交叉路口等典型场景开展大规模测试，分析不同车流量、通信距离、干扰条件下TSN与5G-V2X融合架构的性能表现，为技术方案的优化提供依据。

四、车载 TSN 面临的核心挑战

尽管车载 TSN 技术已取得显著进展，但在实际应用和未来发展中，仍面临四大核心挑战，需要产业界和学术界共同攻克。

1、电子电气架构的适配挑战

不同 EEA 架构对车载网络的性能需求存在巨大差异。中央网关架构的以太网链路数量不足 10 条，端到端时延需求为 10ms；而区域架构的以太网链路数量超过 50 条，端到端时延需求低至 0.01-0.1ms，时间精度要求达到 0.01ms。如何根据不同架构的拓扑特征、带宽需求、时延指标，选择合适的 TSN 标准并进行优化配置，同时平衡技术收益与实施成本，成为 TSN 支持 EEA 演进的关键难题。

2、混合流量调度的复杂性挑战

车载网络中存在多种类型的流量，包括控制类流量（如制动、转向信号）、传感器数据流量（如激光雷达、摄像头数据）、多媒体娱乐流量等，不同流量的时延、抖动、带宽需求差异显著。当前的调度算法主要集中于 802.1Qbv 协议，缺乏多种协议的混合流量联合整形机制。此外，现有调度机制仅关注 TSN 交换机的控制，而忽略了流量发送端的有效管控，导致实际传输时序与理论求解结果存在偏差，如何实现全链路的精准调度仍是巨大挑战。

3、5G-V2X 融合的技术瓶颈

TSN 与 5G-V2X 的融合是实现车路协同、车车互联的关键，但目前两者的整合研究仍处于探索阶段。核心难点在于两个方面：一是车内时钟与 5G 网络时钟的精准关联，时钟同步偏差可能导致数据传输的时序错乱；二是确定性传输业务在有线（车内 TSN）和无线（5G）场景的无缝衔接，无线信道的不确定性会影响传输时延的稳定性。此外，多 TSN 网络之间的可靠低时延通信，也需要突破跨网络调度的技术障碍。

4、工具链与产业生态不完善

1、完整的车载 TSN 工具链尚未建成，满足车规要求的端设备数量有限，供应链体系有待完善。在软件方面，缺乏成熟的 TSN 设计、开发和测试工具，类似 CANoe 的专业化开发环境尚未普及；在测试验证方面，协议一致性测试、性能测试的标准和方案尚不健全，缺乏覆盖软硬件结合、车规级设计的一体化测试平台。这些产业生态层面的短板，严重制约了车载 TSN 的规模化应用。

五、车载 TSN 的未来发展趋势

1、面对上述挑战，车载 TSN 将朝着技术融合、架构优化、生态完善的方向持续演进，未来将在以下四大领域实现突破性发展。

1、1、基于 TSN 的 EEA 架构升级

1、随着自动驾驶级别的提升，EEA 对通信带宽、时延和可靠性的要求将持续提高，TSN 将成为支撑 EEA 向集中化、区域化发展的核心技术。硬件层面，基于区域控制器的 EEA 架构将成为主流，传感器和执行器通过 TSN 网关连接区域控制器，区域控制器之间通过 TSN 骨干网环行互联，并与车载中央计算机（VCC）实现实时数据交互。这种架构可实现带宽资源的集中管理和高效分配，满足 50Gbit/s 以上的带宽需求。

1、软件层面，面向服务的架构（SOA）将与 TSN 深度融合，通过 SOME/IP 或数据分发服务（DDS）将 SOA 整合到汽车嵌入式系统，实现异质应用的端到端通信。DDS 与 TSN 的结合将确保车内数据传输的服务质量（QoS），使 SOA 架构更好地适配自动驾驶的分布式计算需求。远程无线升级（OTA）技术将借助 TSN 的动态配置能力，实现软件更新的快速部署，大幅提升车辆功能迭代效率。

1、在协议应用方面，TSN 将形成多协议协同机制：802.1Qav 用于 IVI 系统多媒体传输，802.1Qbv 保障处理器间通信和周期性传感器数据传输，802.1Qch 适配传感器的周期性或零星流量，802.1Qci 强化 V2X 通信的信息安全，多种协议的组合将为 EEA 提供全方位的通信保障。

2、车载通信调度技术的优化创新

1、未来的车载 TSN 将构建数据平面混合流量的联合整形机制，根据流量特征将车载流映射为计划流量、AVB 流和尽力而为流，采用差异化调度策略。对于计划流量，将通过软硬件协同优化、启发式快速调度技术，解决大规模网络和复杂拓扑下的调度效率问题；对于 AVB 流，将改进基于信用的整形器（CBS）机制，增加数据流最后期限监测和信用值动态调整功能，同时优化链路带宽利用率，减少防护带造成的带宽浪费。

1、控制系统的实时调度将实现新突破，车载通信中间件将整合 SOME/IP 或 DDS 协议功能与 TSN 资源管理能力，通过自动化建模建立流映射关系，实现从应用层到网络层的全栈确定性传输。中间件将通过 TSN 网络控制器实现业务模型到转发参数的映射，北向提供标准化接口支持与上层组件对接，确保控制流量、业务流量的高效协同传输。

3、车辆对外通信的融合演进

1、TSN 与 5G-V2X 的深度融合将成为车载网络的重要发展方向。通过协议解释和参数映射技术，实现 TSN 与 5G 网络的无缝衔接，5G 提供孤立的资源隔离能力，TSN 保障确定性传输，共同构建车内外一体化的通信网络。这种融合架构可在同一网络中承载 V2X 控制信号等确定性流量和多媒体等非确定性流量，既保证控制信号的低时延高可靠传输，又能降低车辆搭载复杂计算设备的成本。

1、基于 SDN 的分层控制器设计将实现车载 TSN 管理从车内网络向 V2X 外部网络的扩展，通过集中式管理平台统筹车内外通信资源。未来的车载 TSN 仿真框架将具备本地化与外部网络交互的能力，支持自动驾驶场景下的全链路仿真测试，为技术落地提供支撑。

4、产业生态的全面完善

1、硬件领域，TSN 将以集成化形式融入汽车架构，TSN 芯片将广泛应用于 ADAS、车载诊断系统、中央网关、区域控制器等核心部件，TSN 交换机将实现多域控制器间的确定性通信，TSN 网卡将整合到车载中央计算机中，形成全场景覆盖的硬件产品体系。

1、软件领域，TSN 将以通信中间件形式深度融入 SOA 架构，位于应用程序与操作系统之间，保障启动加载、数据传输、OTA 更新等全流程的确定性通信。专业化的 TSN 开发测试工具将逐步涌现，涵盖协议一致性测试、性能仿真、故障注入等功能，同时可能在虚拟机监视器级别实现 TSN 传输，提升资源整合与隔离能力。

1、测试验证体系将走向标准化、一体化，形成包含软件在环测试、硬件在环测试的完整测试链条。车载 TSN 网络仿真平台将支持传感器、交换机等端设备的虚拟化构建，实现流量建模、参数配置、协议验证和 QoS 预测分析；台架试验平台将实现实体设备与虚拟仿真的实时交互，完成硬件性能测试和整体方案验证。测试标准的完善将大幅缩短产品研发周期，降低测试成本，加速车载 TSN 的产业化落地。

结语

车载 TSN 作为解决自动驾驶高带宽、低时延、高可靠通信需求的核心技术，正在推动车载网络从传统总线与以太网共存的格局，迈向全以太化的新时代。尽管目前在 EEA 适配、混合流量调度、5G-V2X 融合、工具链建设等方面仍面临诸多挑战，但随着技术的持续创新和产业生态的不断完善，TSN 必将成为未来智能汽车的标准配置。

从技术演进来看，车载 TSN 将朝着多协议协同、软硬件深度融合、车内外网络一体化的方向发展，为自动驾驶提供端到端的确定性通信保障；从产业格局来看，TSN 将重塑汽车电子供应链，推动芯片、软件、测试等领域的技术升级，形成跨行业协同创新的生态体系。未来，随着车载 TSN 技术的全面落地，智能汽车的感知、决策、控制能力将实现质的飞跃，为用户带来更安全、更智能、更舒适的出行体验，加速自动驾驶时代的全面到来。

在这场汽车通信技术的革命中，唯有持续投入核心技术研发、积极参与标准制定、构建完善产业生态，才能在智能汽车产业的竞争中占据先机。车载 TSN 的发展不仅是技术的突破，更是汽车产业向智能化、网联化转型的必然选择，未来已来，值得期待。

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